CN112462468B - 利用图形反转制作光子晶体的方法及光子晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用图形反转制作光子晶体的方法及光子晶体，该光子晶体的制备方法包括以下步骤：提供绝缘体上硅(SOI)衬底；在所述绝缘体上硅(SOI)衬底上至少沉积一层硬掩膜层；刻蚀所述硬掩膜层，以形成第一图形；氧化所述第一图形，以减小所述第一图形的线宽；沉积介质材料，以在所述第一图形的间隙形成第二图形；刻蚀去除所述硬掩膜层；以所述第二图形为光刻掩膜刻蚀所述绝缘体上硅(SOI)衬底。采用图形反转牺牲氧化方法，减小孔洞尺寸，实现超出光刻机能力范围的光子晶体结构。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体制备技术领域，具体涉及一种利用图形反转制作光子晶体的方法及光子晶体。
背景技术
光子晶体(又称光子禁带材料)从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波—当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。但是光子晶体形成的周期性孔洞结构很多时候超过光刻机能力限制，对半导体制备工艺要求很高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用图形反转制作光子晶体的方法及光子晶体，采用图形反转牺牲氧化方法，减小孔洞尺寸，实现超出光刻机能力范围的光子晶体结构，以解决现有制备方法中晶体形成的周期性孔洞结构超过光刻机能力限制的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种利用图形反转制作光子晶体的方法。
该利用图形反转制作光子晶体的方法包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)衬底；
在所述绝缘体上硅(SOI)衬底上至少沉积一层硬掩膜层；
刻蚀所述硬掩膜层，以形成第一图形；
氧化所述第一图形，以减小所述第一图形的线宽；
沉积介质材料，以在所述第一图形的间隙形成第二图形；
刻蚀去除所述硬掩膜层；
以所述第二图形为光刻掩膜刻蚀所述绝缘体上硅(SOI)衬底。
进一步的，所述绝缘体上硅(SOI)衬底包括支撑衬底、位于所述支撑衬底上的氧化物埋层(BOX层)以及位于所述氧化物埋层上的硅层。
进一步的，在所述绝缘体上硅(SOI)衬底上依次沉积刻蚀停止层和硬掩膜层；然后采用光刻工艺刻蚀所述硬掩膜层以形成所述第一图形；所述刻蚀停止层的材料为氮化硅；所述硬掩膜层的材料为非晶硅(α-Si)。
进一步的，采用氧化工艺氧化所述第一图形，以使所述第一图形的外侧面上形成氧化物层。
进一步的，沉积介质材料，以在所述第一图形的间隙形成第二图形包括：
在第一图形间隙，覆盖所述刻蚀停止层沉积介质材料，形成介质层；
对所述介质层进行平坦化，以漏出所述硬掩膜层的上表面。
进一步的，采用化学机械抛光(CMP)工艺平坦化所述介质层。
进一步的，所述介质材料为二氧化硅。
进一步的，采用湿法刻蚀工艺去除所述硬掩膜层，以使所述第二图形的侧面裸露，形成图形化的第二图形。
进一步的，所述湿法刻蚀工艺采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种光子晶体。
根据上述的利用图形反转制作光子晶体的方法制备得到的光子晶体。
在本发明实施例中，采用图形反转牺牲氧化法，以减小硅柱的线宽，实现远小于光刻精度的光子晶体结构。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a～图1f为本发明实施例中利用图形反转制作光子晶体的方法的流程示意图。
图中：
1、SOI衬底；2、第一图形；3、第二图形；4、氧化物层；
100、支撑衬底；200、氧化物埋层；300、硅层；400、刻蚀停止层；500、硬掩膜层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种利用图形反转制作光子晶体的方法，该光子晶体的制备方法包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)衬底1，参考图1a所示，该SOI衬底1包括支撑衬底100、位于支撑衬底100上的氧化物埋层200(BOX层)以及位于BOX层200上的单晶硅层300。
需要说明的是，支撑衬底100为Si衬底，在本发明的实施例中，位于Si衬底上的BOX层200的厚度为3μm，位于BOX层200上的单晶硅层300的厚度为220nm。当然本领域技术人员可以根据实际需要设定BOX层200以及单晶硅层300的厚度。
继续参考图1a所示，在SOI衬底1的单晶硅层300上沉积硬掩膜层500。在本发明实施例中，硬掩膜层500的材料可以为非晶硅(α-Si)。
当然为了对SOI衬底1形成保护，避免位于顶层的单晶硅层300受到破坏，可以根据实际需要在沉积硬掩膜层500之前沉积一层刻蚀停止层400。在本发明的实施例中，刻蚀停止层400的材料可以为氮化硅。
继续参考图1a所示，采用光刻工艺刻蚀硬掩膜层500以形成第一图形2。本发明实施例中，第一图形2可以为截面呈柱状的定义结构，并且多个柱状结构间隔排列，可以根据实际需要选择第一图形2的数量以及形状大小，当然本领域技术人员也可以采用常规的沉积和刻蚀工艺形成定义柱状结构。
参考图1b所示，采用氧化工艺氧化第一图形2，使得第一图形2的外侧面上形成氧化物层4，氧化物层4的形成将减小第一图形2的线宽。在本发明实施例中，氧化物层4的材料可以为二氧化硅。
需要说明的是，本领域技术人员可以采用常规的氧化工艺，以在第一图形2的表面上形成氧化物层4。
在第一图形2的间隙，覆盖刻蚀停止层400沉积介质材料，形成介质层(未图示)。在本发明的实施例中，在相邻两个柱状结构之间沉积介质材料，介质材料可以为二氧化硅，其与氧化物层4的材料相同，因而使得氧化物层4和介质材料共同形成介质层。
需要说明的是，本领域技术人员可以采用除热氧化沉积之外的其它常规沉积工艺沉积介质材料。
参考图1c所示，采用化学机械抛光(CMP)工艺对介质层进行平坦化，以漏出硬掩膜层500的上表面，从而在第一图形2间隙形成第二图形3。
参考图1d所示，采用湿法刻蚀工艺去除硬掩膜层500，使得第二图形3的侧面裸露，形成图形化的第二图形3。在本发明实施例中，湿法刻蚀工艺采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，以去除硬掩膜层500。
参考图1e所示，采用光刻工艺以第二图形3光刻掩膜刻蚀硅层300，以在SOI衬底1上形成孔洞结构。
需要说明的是，本领域技术人员采用常规光刻工艺刻蚀硅层300，以得到孔洞结构。
采用常规刻蚀工艺去除刻蚀停止层400以及第二图形3，得到具有孔洞结构的光子晶体，参考图1f所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)衬底；
在所述绝缘体上硅(SOI)衬底上依次沉积刻蚀停止层和硬掩膜层；所述刻蚀停止层的材料为氮化硅；所述硬掩膜层的材料为非晶硅(α-Si)；
采用光刻工艺刻蚀所述硬掩膜层，以形成第一图形；
采用氧化工艺氧化所述第一图形，以使所述第一图形的外侧面上形成氧化物层，减小所述第一图形的线宽；
沉积介质材料，以在所述第一图形的间隙形成第二图形；
刻蚀去除所述硬掩膜层；
以所述第二图形为光刻掩膜刻蚀所述绝缘体上硅(SOI)衬底。
2.根据权利要求1所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，所述绝缘体上硅(SOI)衬底包括支撑衬底、位于所述支撑衬底上的氧化物埋层(BOX层)以及位于所述氧化物埋层上的硅层。
3.根据权利要求1所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，沉积介质材料，以在所述第一图形的间隙形成第二图形包括：
在第一图形间隙，覆盖所述刻蚀停止层沉积介质材料，形成介质层；
对所述介质层进行平坦化，以漏出所述硬掩膜层的上表面。
4.根据权利要求3所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，采用化学机械抛光(CMP)工艺平坦化所述介质层。
5.根据权利要求1或3所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，所述介质材料为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，采用湿法刻蚀工艺去除所述硬掩膜层，以使所述第二图形的侧面裸露，形成图形化的第二图形。
7.根据权利要求6所述的利用图形反转制作光子晶体的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。
8.根据权利要求1-7任一项所述的利用图形反转制作光子晶体的方法制备得到的光子晶体。
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